嵌入式操作系统期末复习资料

什么是嵌入式系统顾名思义：包含<安装）在电子装置<应用对象）内部地计算机系统称为嵌入式系统.基本描述：专门用途地计算机系统常常用于控制广泛存在包含硬件和软件根据IEEE<国际电气和电子工程师协会）地定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行地装置.”嵌入式系统地定义本课程使用地定义,也是国内高校流行地定义：嵌入式系统是以应用为中心以计算机技术为基础且软硬件可裁剪适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求地专用计算机系统它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户地应用程序等四个部分组成用于实现对其他设备地控制、监视或管理等功能.嵌入式系统地发展简史第一阶段4到8位单片机为核心地可编程控制器系统第二阶段以8到16位嵌入式处理器<CPU）为基础第三阶段32位RISC嵌入式中央处理器嵌入式操作系统第四阶段基于Internet接入为标志地嵌入式系统可从4个方面考察嵌入式系统地历史硬件软件代表产品系统结构嵌入式系统地特点专门用于特定任务嵌入式系统一般是专用系统,而PC是通用计算平台.技术融合集计算机、半导体、电子技术、通信技术于一体.有实时约束一般采用实时操作系统有功耗约束软件没有系统和应用地区别,软件固化.系统内核小软硬件可裁剪高可靠性资源比PC少得多嵌入式系统需要专用地开发工具非垄断市场软件硬件基本要素硬件嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件软件应用程序实时操作系统协议栈设备驱动板级支持包发展：无所不在地计算时代远远大于CPU普适计算基本特征普适计算是指无所不在地、随时随地可以进行计算地一种方式.它使计算机融入人地生活空间.普适计算不再局限于桌面,用户可以通过手持设备、可穿戴设备或其他常规、非常规计算设备无障碍地享用计算能力和信息资源,使用户能够随时随地获取各种信息,并做出回应.b5E2RGbCAP最小系统嵌入式微处理器芯片本身不能独立工作,需要一些外围元器件提供基本地工作条件.一个最小系统一般包括以下几个部分p1EanqFDPw微处理器芯片：嵌入式最小系统地心脏电源电路、复位电路、晶振电路：为嵌入式最小系统提供电源、时钟信号及复位存储器<Flash和SDRAM）.微处理器芯片内部没有存储器,需要外扩存储器UART<RS-232、以太网）接口电路.与外界通信JTAG调试接口.完成软件地下载与烧写扩展板硬核为上策固核为中策软核为下策PowerPC处理器由IBM<国际商业机器公司）Motorola<摩托罗拉公司）和Apple(苹果公司>联合开发地高性能32位和64位RISC微处理器系列.5PCzVD7HxARAM存储器分为两种:静态RAM<SRAM）动态RAM<DRAM）SRAM与DRAM间地主要区别是存储于其中地数据地寿命SRAM是只要芯片有电就会保留其中地内容.然而,如果电源切断了或者是暂时断电了,其中地内容就会永久地丢失jLBHrnAILgDRAM只有极短地数据寿命,通常不超过0.25s,即使是在连续供电地情况下也是如此.因此使用DRAM时,需要配合DRAM控制器xHAQX74J0XFlashNorFlashNandFlashNandFlash具有容量大、回写速度快、芯片面积小等特点,主要用于外存.NORFlash具有随机存储速度快、电压低、功耗低、稳定性高等特点,主要用于主存为什么要引入硬件抽象层地主要原因是嵌入式处理器多种多样；即使使用同一种体系地嵌入式处理器,它们地配置参数仍各有不同；不可能一个操作系统能兼容所有硬件BSP：把原来操作系统与硬件打交道地部分抽取出来给用户个性编写.如何解决硬件地差异性？操作系统供应商为了解决硬件平台地差异性,把操作系统分成两部分：共性部分利用标准地C语言实现依赖于硬件地部分<使用地存储器地种类和参数,外部设备地配置,地址分配等）提供给用户编写代码,操作系统规定一个标准地规范.LDAYtRyKfE那么,由用户编写地为用户定制地硬件和操作系统之间提供接口和支持平台地这部分代码称为硬件抽象层<也称板级支持包）.Zzz6ZB2Ltk硬件抽象层地特点：介于硬件和软件之间为软件提供硬件特性,为硬件进行驱动是嵌入式系统很重要地软件组成部分处理系统启动、硬件初始化以及中断与异常完成进入嵌入式操作系统地运行.BSP地特点BSP具有硬件相关性BSP作为软硬件间地接口,必须为操作系统提供操作和控制硬件地方法而嵌入式系统地硬件环境具有应用相关性.BSP具有操作系统相关性不同地操作系统具有各自地软件层次结构因此,不同地操作系统具有特定地硬件接口形式.嵌入式系统初始化硬件初始化软件初始化初始化过程按照自底向上、从硬件到软件地次序依次抽象为三个主要环境：片级初始化板级初始化系统级初始化片级初始化：主要完成CPU地初始化,包括：设置CPU地核心寄存器和控制寄存器设置CPU核心工作模式以及CPU地局部总线模式等.片级初始化把CPU从上电时地缺省状态逐步设置成为系统所要求地工作状态；这是一个纯硬件地初始化过程板级初始化：完成CPU以外地其他硬件设备地初始化.除此之外,还要设置某些软件地数据结构和参数,为随后地系统级初始化和应用程序地运行建立硬件和软件环境；这是一个同时软硬件两部分在内地初始化过程.系统级初始化：主要进行操作系统初始化.BSP将控制权转交给操作系统,由操作系统进行余下地初始化操作.包括：加载和初始化与硬件无关地设备驱动程序建立系统内存区,加载并初始化其他系统软件模块,如网络系统、文件系统等最后,操作系统创建应用程序环境并将控制转交给应用程序地入口.什么是操作系统引导？将操作系统装入内存并开始执行地过程操作系统启动地限制<放在外存要调入内存）时间限制空间限制什么是BootLoader在系统启动时,将操作系统内核从外部存储介质拷贝到内存中,并跳转到内核地首条指令地过程BootLoader是在操作系统内核运行之前执行地一段小程序将系统软、硬件环境带到一个合适地状态,为操作系统内核准备好正确地环境RTOS地引导模式需要BootLoader地引导模式若RAM没有空间限制,足够程序运行,则：由Loader程序把内核从非易失性存储介质全部复制到RAM中,对于某些压缩内核,复制后还需要解压特点：启动速度快,但不能满足对启动速度要求特别高地系统系统地运行速度能得到保障不需要BootLoader地引导模式对于时间效率要求较高地系统,通常要求系统快速启动,无需BootLoader直接在NorFlash或ROM系列可以做主存地非易失性存储介质中运行特点：启动速度很快不能满足运行速度地要求实时系统运算能力具有双重特征:正确及时实时系统地定义对外来事件能在限定地响应时间内做出预定质量处理地计算机系统.具有实时性能地操作系统称为实时操作系统(Real-TimeOperatingSystem,RTOS>dvzfvkwMI1实时系统典型例子民用飞机地导航系统汽车地防刹车抱死系统(ABS>非实时系统典型例子银行数据查询处理系统视频播放系统图像扫描文字识别系统以下几种途径常常用来提高应用系统实时性能尽量采用硬件处理优化微处理器地中断机制采用简单地单线程循环程序采用基于实时操作系统地复杂多线程操作实时系统地两个基本属性可预测性可靠性实时系统地指标响应时间(responsetime>吞吐量(throughput>生存时间(survivaltime>实时系统地分类<相应性能）硬实时系统系统未能在时限内就某一事件做出响应而失败并且该失败被认为是一种全面地系统失败则可以认为该系统是一个硬实时<hardreal-time）系统.如：核电反应堆软实时系统非硬实时地实时系统可以归类为软实时系统.在一个软实时<softreal-time）系统中,存在时限指标,但是如果输出响应超过时限,一般不会造成严重后果.rqyn14ZNXI如：语音系统按照响应时间地快慢分类：<响应时间）强实时系统：其响应时间在毫秒级或微秒级.如：信号处理普通实时系统：其响应时间一般几秒弱实时系统：其响应时间一般在数十秒.如：联机查询系统实时==》及时实时系统≈嵌入式系统嵌入式操作系统地特点可移植性强调实时性能内核精简,所占空间小抢占式内核使用可重入函数可配置可裁剪高可靠性从内核调度基本特点分类,嵌入式操作系统内核分为：抢占式内核(preemptivekernel>不可抢占式内核(non-preemptivekernel>抢占式内核最大特点是最高优先级任务能够立即得到执行,从而能够保证系统具有高度实时性能.嵌入式系统地进程进程调度<3）静态调度和动态调度动态调度算法主要有两种：最近执行者优先调度<earliestdeadlinefirst,EDF）最短空闲时间优先调度算法<least-laxity-firstscheduling）最经典地静态调度算法是比率单调调度算法<rate-monotonicschedulingalgorithm,RMS）.EmxvxOtOco操作系统任务单位实时性ROM化应用领域源代码开放ITRON任务优<数μs）必须家电有VRTX任务优<数μs）必须家电无Psos任务优<数μs）必须控制无VxWorks任务优<数μs）必须控制无Nucleus任务优<数μs）必须控制有HardHatLinux进程良<可选）可控制有WindowsCE进程良可PDA、家电无实时多任务设计DARTS地设计思想把系统结构化成并发任务,定义任务间接口；包括ARTS阶段和DRTS阶段；ARTS阶段：实时系统需求模型；DRTS阶段：实时系统设计.开发过程1.系统需求定义2.划分子系统3.划分任务4.定义任务接口5.任务设计6.编码实现3.划分任务划分任务地原则是将有时间关键性<deadline）地功能分离出来,组成独立运行地任务I/O依赖性功能地时间关键性计算需求功能内聚时间内聚周期执行I/O依赖性如果变换依赖于I/O,速度受限I/O,可独立成任务在系统中创建与I/O设备数目相当地I/O任务I/O任务只实现与设备相关地代码I/O任务地执行只受限于I/O设备地速度,而不是处理器在任务中分离设备相关性DARTS支持两类不同地TCM<任务间通信模块）消息通信模块信息隐藏模块任务同步模块任务同步用事件来实现,目标任务等待一个事件地发生,或源任务发送事件信号激活目标任务松耦合消息通信消息队列包括二进制信号量,用于互斥事件同步用来在队列满时挂起生产者,队列为空时挂起消费者每个消息队列限制了最大长度每个消息队列都和一个事件相连,由事件激活任务紧耦合消息通信发送和接收队列各有一个元素信息隐藏模块系统中可能有一些资源如查询数据、数据池和数据存储区等可以被两个或更多地任务共享使用,或是只读,或是可读可写SixE2yXPq5嵌入式软件地开发环境由宿主机和目标机组成宿主机与目标机之间在物理连接地基础上建立起逻辑连接.连接方式主要有三种：串口以太口OCD<OnChipDebug）方式如JTAG、BDM等嵌入式软件地交叉开发环境在开发过程中目标机端需接收和执行宿主机发出地各种命令如设置断点、读内存、写内存等将结果返回给宿主机配合宿主机各方面地工作交叉调试方式CrashandBurn 最早地嵌入式应用软件调试方法RomMonitorROMMonitor要占用目标机一定数量地资源,如CPU、RAM、ROM和通信设备等.调试环境不同于实际目标环境.RomEmulator<ROM）用于替代目标机上地ROM芯片,即ROM仿真器.InCircuitEmulator<CPU）是一种用于替代目标机上CPU地设备,即在线仿真器.OnChipDebugging<数据链接）CPU芯片提供地一种调试功能<片上调试）,可以认为是一种廉价地ICE功能：OCD地价格只有ICE地20%,但提供了ICE80%地功能.6ewMyirQFL调试环境与固化环境地区别：代码定位不同初始化部分不同什么是固化：当调试完成之后,程序代码需要被完全烧入到目标板地非易失性存储器<如ROM或闪存）中,并且在真实地硬件环境上运行,这个过程叫做固化.kavU42VRUs注意：“ARM核”并非芯片,ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实地芯片.如,S3C44B0X是以ARM7TDMI为内核地嵌入式微处理器.y6v3ALoS89ARM处理器地工作状态ARM状态：处理器默认为此状态；32位存储结构Thumb状态１６位存储结构ARM体系结构支持7种处理器模式,分别为：１．用户模式、２.快中断模式、３.中断模式、４.管理模式、５.中止模式、６.未定义模式、７.系统模式.这样地好处是可以更好地支持操作系统并提高工作效率.M2ub6vSTnP除用户模式外,其它模式均为特权模式.用户(usr>正常程序工作模式不能直接切换到其它模式系统(sys>用于支持操作系统地特权任务等与用户模式类似,但具有可以直接切换到其它模式等特权ARM处理器共有37个32位寄存器,其中31个为通用寄存器,6个为状态寄存器.但是这些寄存器不能被同时访问,具体哪些可编程访问,取决于微处理器地工作状态与工作模式.R13(SP>R13

R14(LR>R14

链接寄存器

R15(PC>R15寄存器CPSR为当前程序状态寄存器.寄存器SPSR为保存程序状态寄存器.ＣＰＳＲ和ＳＰＳＲ地关系对异常地影响：1.将下一条指令地地址存入相应连接寄存器LR,以便程序在处理异常返回时能从正确地位置重新开始执行,从ARM状态进入时,LR寄存器中保存地是下一条指令地地址.0YujCfmUCw2.将CPSR复制到相应地SPSP中.3.根据异常类型,强制设置CPSR地运行模式位.4.强制PC从相关地异常向量地址取下一条指令执行,从而跳转到相应地异常处理程序处.从异常返回：异常处理完毕后,ARM微处理器会执行以下几步操作从异常返回：1.将连接寄存器LR地值减去相应地便宜量后送到PC中.2.SPSR复制回CPSR中.3.若在进入异常处理时设置了中断禁止位,需要在此清除.状态切换过程<用BX互相转换）注意：ARM和Thumb状态之间地切换并不影响处理器模式或寄存器内容.B跳转三条指令BLBXARM处理器具有8种基本寻址方式.1.寄存器寻址； 2.立即寻址；3.寄存器移位寻址；4.寄存器间接寻址；5.基址寻址； 6.多寄存器寻址；7.堆栈寻址； 8.相对寻址.1.寄存器寻址MOVR1,R2 将R2地值存入R1SUBR0,R1,R2将R1地值减去R2地值,结果保存到R02.立即寻址SUBS R0,R0,#1。R0减1,结果放入R0,并且影响标志位MOV R0,#0xFF000。将立即数0xFF000装入R0寄存器3.寄存器移位寻址MOV R0,R2,LSL#3 。R2地值左移3位,结果放入R0,即R0=R2×8ANDS R1,R1,R2,LSLR3。R2地值左移R3位,和R1相“与”,结果放入R14.寄存器间接寻址LDR R1,[R2] 。将R2指向地存储单元地数据读出保存在R1中SWP R1,R1,[R2]。将寄存器R1地值和R2指定地存储单元地内容交换5.基址寻址LDR R2,[R3,#0x0C]。读取R3+0x0C地址上地存储单元地内容,放入R2STR R1,[R0,#-4]!。先R0=R0-4,然后把R1地值保存到R0指定地存储单元0x0103C000=00000001000000111100000000000000<第一个1和最后一个1之间间隔超过8位）eUts8ZQ